φ8580mm土压平衡盾构在复合地层中带压开仓换刀技术探讨

φ8580mm土压平衡盾构在复合地层中带压开仓换刀技术探讨

蔡波

英泰克工程顾问（上海）有限公司  上海市浦东新区  200120

摘要 随着我国盾构法隧道工程建设需求的高速发展,其面临着穿越复杂地层（孤石、上软下硬段、基岩突起段等）及复合地层多变、掘进里程增长的技术挑战等，不可避免将对盾构刀盘刀具、主轴承等造成较大结构性损伤（如刀盘磨损、刀具偏磨等），或者出现刀盘结泥饼等现象，为此需停机开仓检修或者更换刀具；而当盾构机在富水软岩地层掘进时，其地层自稳性、气密性差等特点，且地面加固受限或加固效果不佳及施工周期、成本考虑，可利用刀盘掌子面泥膜建压方式及盾构自带保压系统等实现较长时间稳定隔水提供带压换刀作业环境。在压力换刀作业过程对掌子面稳定控制、作业人员进出舱气压控制和舱内换刀风险管控等技术难度提出较高挑战，为此依托某地铁盾构区间开展土压平衡盾构在复合地层带压开仓换刀技术研究，为后续类似条件盾构带压换刀作业有良好借鉴作用和案例支撑。

关键词 大直径土压平衡盾构机、带压开仓、开仓换刀

1  工程概况

1.1区间概况、沿线周边环境

该区间线路长度3099双延米,为单线单洞盾构区间，采用2台Φ8580mm复合式土压平衡盾构机掘进。沿线周边主要为民房、农田、鱼塘，穿越两个村落、规划河桥等建构筑物，盾构采用钢套筒始发，常规法接收。

区间设置5处联络通道（4#联络通道兼泵房），区间隧道覆土埋深约8.84～27.17m。

图1.1 区间平、纵断面图

1.2带压换刀工作原理

经对刀盘前方地层加固处理、刀盘掌子面及盾体周围地层加注有一定粘度的膨润土泥浆建立泥膜，以确保盾体与土体的间隙填充满仓泥浆从而保证土仓的气密性。

通过在土仓内建立气压以平衡刀盘前方水土压力，保证开挖面稳定和防止地下水渗漏导致失稳情况，为安全高效在土舱内查换刀施工及维修作业创造工作条件,其工作原理如图1.2所示。

图1.2 带压作业工作原理示意图

1.3换刀位置的选择

综合考虑本区间的地质水文条件、地面环境、以往的工程施工案例及经验，可按以下原则进行刀具检查及更换：

（1）对隧道顶部地层为稳定岩层时，每掘进约5～10环进行一次刀具检查或更换（具体检查时机应根据盾构机的掘进状态确定及调整）；

（2）对隧道顶部地层为不稳定软土层但隧道断面内存在岩层时，应提前在稳定地层中进行刀具检查及更换，或在预先加固或合适的土体中进行刀具检查及更换；

（3）当盾构机因刀具磨损严重无法掘进且刀盘上前方为不稳定软土层时，需停止掘进，并对刀盘前部的土体进行加固以形成一个安全换刀的加固体；

（4）根据区间隧道勘察报告显示可能存在未探明的孤石，以及盾构施工过程可能出现以下掘进参数异常等突发情况，将根据实际情况设置开仓查换刀点进行刀具磨损情况检查更换及其它开仓作业：①刀盘驱动油压跳变值较大或者刀盘扭矩频繁跳动；②对比设定岩层盾构掘进参数，当出现盾构推力变大、扭矩变大、掘进速度明显降低同时盾构机轴线姿态纠偏困难；③渣土温度升高，当测得的渣土温度持续超过50℃；④渣土中出现大量粒径大于40cm的石块（破碎地带除外）等。

图1.3-1主动带压换刀点

2  压气作业开仓换刀技术

2.1压气作业开仓换刀施工工艺流程

压气作业开仓换刀施工工艺流程详见图2.1-1、图2.1-2。

图2.1-1 土仓泥膜建压工艺流程图

图2.1-2 压气作业工艺流程图

2.2盾构带压换刀前准备工作

2.2.1止水环施作

为有效封堵刀盘及盾体后部地下水来源，在盾构压气作业前利用注浆系统设备对盾体预留径向孔及盾尾后部管片预留注浆孔进行注浆加固，具体施工事项如下：

（1）在盾构停机点前10环采用增设注浆孔类型的管片，有利于壁后补浆止水环施作效果更佳；

（2）对脱出盾尾后部第3环～第8环管片进行二次补浆作业（补浆情况视实际情况而定），浆液类型为双液浆（水泥-水玻璃），其具有扩散性好、凝结速率快，可有效实现充分加固地层和封堵刀盘后部来水的目的，提高刀盘掌子面在拟定压力范围内土层的自稳能力和气密性；

（3）在对管片二次补浆前通过盾体径向孔或者同步注浆孔注入膨润土封堵后方注浆空间至盾尾的通道，防止双液浆渗入尾刷内或者填充盾体与土层间隙，影响盾构机复推。

图2.2  二次注浆加注位置示意图

2.2压气作业工作压力设定

一般而言，压气作业压力越高，掌子面越稳定不易导致地面坍塌；可若土压设定值过高超过掌子面承受压力，可能击穿泥膜密封层和地下土层，造成地面泄压等不利现象，且较低土仓压力，对仓内作业人员健康和作业效率有利。

压气作业工作压力计算方法：=9.8*（24+4.315-2.4）+(0.2～0.5) =2.5+(0.2～0.5)=2.7～3.0bar

式中：—计算至隧道开挖中心的水头压力,=9.8,水的容重(kN/m3)；

=23.5m；=4.315m；=2.4m；

—考虑不同地质条件、地面环境及开挖面位置的压力调整值，取0.2～0.5bar，即工作气压值比计算气压值略高0.2～0.5bar。

2.3设备检查、试验检测、施工量测

压气作业前应再次对机械设备逐项检查，主要包括盾构人仓系统、注浆系统、供水系统、应急备用电源、气压调节和自动保压系统、应急保压气源设备、医疗仓、安全设备、监测监控设施、照明、消防、通信、通风、检测、保温设备、应急设备运转正常，应急救援设备和物资就位，并做好检查记录，同时准备所需更换的刀具、换刀工具。

（1）检查人闸系统，主、副舱的密闭性是否完好。

（2）对空压机、储气罐、管道及气阀的正常运转状况进行检查；

（3）检查盾构自带膨润土泵和注浆泵、注浆管路等能否正常工作；同时现场备好二次注浆泵及管路，以防因膨润土过于黏稠导致膨润土泵无法使用。

（4）检查舱内外照明系统，以及土仓内照明设备（外接工作灯、手电筒）是否可用；

（5）检查舱内外通信系统能否正常工作。

（6）检查舱内外风、水、电、液压、气体等连接通道及接口是否能正常工作。

（7）检查舱内外压力表、显示器等仪表是否正常工作。

（8）用于查换刀的工具（刀具、链条葫芦、扳手、风镐等）是否备齐并检查其性能完好性；

（9）检查6#台车尾部搭设平台存放250KW发电机作为备用电源，空压机、储气罐等则采用盾构机自带的设备，以防止断大电后能满足开仓作业所需的设备正常运行；

（10）检查盾构机及其后配套系统是否正常运行（通风设施、风、水、电系统、通信系统、监控系统、洞内运输系统、气体检测仪器，照明、对讲机等）；

（11）有害气体检测时间的确定：考虑掌子面空气中暴露时间过长，容易导致刀盘掌子面泥膜失效，可在带压换刀条件核查会前1-2天内统筹合理安排排渣时间，通知具有相应资质的第三方检测单位进行土仓内气体现场检测（有毒有害气体、可燃气体、易爆气体），并出具气体检测报告；并在带压换刀过程在舱内、舱门两个指定位置实时检测气体。

（12）开仓作业前在舱门内外各备好气体检测仪,以方便作业人员和操仓人员随时检测仓内有害气体含量或监测氧气浓度，舱内应按要求安装视频监控设备、自动喷淋系统。

（13）针对停机换刀点及时布设监测点并做好施工监测，实时了解地面沉降情况。开仓期间地面安排专人在地面进行巡视，发现漏气、漏浆现象及时与洞内开仓作业人员联系，接到通知后仓内作业人员应立即退至人仓。

2.4土仓内泥膜建压

2.4.1浆液制备

压气作业对掌子面气密性和自稳性要求较高，对掌子面和中盾注入高粘度泥浆（具有一定黏度膨润土），避免土仓内气体泄漏和预防盾体抱死现象。

结合盾构带压换刀停机位置地层情况，通过对泥浆的配比和粘度效果进行多次试验，以保证浆液满足泥膜建压需求，经试验配合比膨润土：水（质量比）为1：5满足斯维因泵注入要求，其未膨化时粘度为40s，经6小时膨化后其粘度可达到120s。

2.4.2泥膜建压、排渣及气密性检测

（1）采用注浆系统（二次注浆机、同步注浆系统或膨润土泵）将具有一定高粘度膨润土泥浆（80s-120s）经土仓隔板预留球阀填满土仓空间，且建立泥膜过程适时往土仓内加固已膨化的膨润土确保土压力稳压至3.2bar左右，浸泡6h以上，保证盾体与土体间的建筑空隙填满膨润土；

（2）根据带压换刀作业工筹计划，提前0.5天排渣并进行泥膜建压气密性检测。主要通过观察螺旋输送机出土（方量）情况，判断仓内渣土液位是否排渣至半仓位置（时钟3、9点位）；

（3）通过土仓容量计算理论排渣方量（30m³），且确保排渣过程土仓压力相对稳定，在开启自动保压系统（设定压力值为2.6bar）的同时，可适当开启刀盘面板上的泡沫系统以增加供气量；在排渣过程若出现未排至半仓位置便发现螺旋机排出的渣样主要为膨润土，可适当正反转动刀盘防止渣土固结导致无法排出；

（4）当土仓内泥浆液位降至开挖面二分之一时，停止排出泥浆。开始记录空气压缩机的加、减压时间。若加载时间/（加载时间+卸载时间）的比值不超过30%（10%～30%），则说明掌子面气体泄漏通道已全面封闭好，土仓气压可基本保持稳定，泥膜质量良好；

（5）若出现漏气量＞30％，则检查止水环施作效果是否到位，或地面孔洞是否渗漏气体（采用地面打孔10-15m补浆），或带压进仓快速检查掌子面是否塌陷等，然后制定针对性措施并重新建立泥膜。

2.5压气进、出仓作业施工

（1）进仓前准备工作：再次对人舱内各系统及查换刀工具设备、材料等进行检查；

（2）主、副舱加压至工作压力值，人员进舱作业。工作人员进入副仓，关闭主副舱门及主副舱间的舱门，使用电话与操舱员保持联系，按照《盾构法开仓及气压作业技术规范》缓慢提升主副舱内压力至设定工作压力值，通过压力平衡阀消除主副舱气压差，待开主副舱密封门后进入主舱；

（3）打开土仓隔板压力平衡阀，用气体检测仪检测土仓气体。开启保护舱与主舱之间的压力平衡阀，消除两仓间的气压差，用气体检测仪检查土仓内气体，确保无有害气体后才能进仓作业；

（4）进入土仓。当人舱内压力=土仓气压时，作业人员即可打开人闸与士仓之间的闸门，进入土仓带压换刀。

土仓作业注意事项：

1）人员进仓。作业人员应通过土仓隔板压力平衡阀有效补偿土仓与人舱间的压力差，待打开土仓门后及时了解刀盘掌子面的稳定性以及检查确认地层特性，从而判断是否满足压气作业条件，其他作业人员才能进入土仓；

2）刀具检查。①进入土仓后，作业人员首先对刀盘刀具磨损情况进行初步确认，以便于对查换刀方案作调整；②刀具检查内容主要包括刀具螺栓脱落及刀体漏油情况、刀圈完整性（如断裂、弦磨）、主轴承密封性等情况；

3）换刀作业。

①作业人员根据查换刀方案更换磨损超标刀具，遵循“随换随装”原则以便应对突发事件时能随时恢复掘进；而刀具更换采取“先易后难”原则，采用风动扳手拆除刀具螺栓，采用扭矩扳手测试螺栓紧固程度，以保证刀具安装质量；

②更换拆除刀具前应及时清理刀箱内渣土便于后续刀具安拆工作；

③刀具更换过程应遵守“拆一装一”换刀原则，且统一采用“由外到内/由内到外”或“逐臂更换”等换刀工序；同时做好交接班制度，记录好所换刀具编号，螺栓安拆、紧固情况；

④采用套筒和加力杆拆除刀具螺栓，为防止工具丢失应及时将工具装入工具袋；将旧的废刀具和剩余未安装的新刀放在舱内，防止掉落入土仓内；

⑤针对更换的刀具、螺栓、固定座等做好清洗工作，同时检查螺栓、固定座等结构件的完整性，对有损坏的结构件及时更换，以确保新装好的刀具有足够的固定强度；

⑥按原有位置安装新刀具，并及时紧固好相应螺栓等固定物件；

（6）带压出仓

压气换刀作业完毕且在土仓门关闭前，对刀具安装质量及更换工具等进行检查，若无误后再关闭舱门。待人员经主舱进入副舱并关闭主副舱间闸门后，操舱员按照加减压要求进行降压。

3  结束语

通过该区间盾构带压换刀作业经历，避免在地面加固条件有限或地层自稳性较差不具备常用开仓作业现象，且有效降低地面加固周期长、施工成本高以及对周边建构筑物的影响，从而实现盾构在掘进施工刀具检查更换的安全性、高效性、经济性。在后续带压换刀作业过程继续优化带压换刀工作压力的选择、泥膜建压质量升华、人舱加减压稳步控制、土仓换刀效率提升等方面进行研究,使在不同差异地质条件下的盾构带压换刀工艺更加完善，也为今后复合地层掘进过程盾构带压换刀施工提供安全技术保证和案例支撑。

参考文献

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